DE2404015B2 - Circuit of a complementary power output stage with transistors for an operational amplifier - Google Patents
Circuit of a complementary power output stage with transistors for an operational amplifierInfo
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Description
41)4 1 )
Die Erfindung betrifft eine Schaltung einer ruhestromfreien Komplementär-Leistungsendstufe mit zwei Transistoren in Gegenaktschaltung für einen Operationsverstärker, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers über eine Stromverzweigung mit den Basen der Transistoren der Leistungsendstufe verbunden und die Last an die Stromverzweigung zu den Emittern der Transistoren angeschlossen ist.The invention relates to a circuit of a quiescent current-free complementary power output stage with two Transistors in a counter-clock circuit for an operational amplifier, the output of the operational amplifier connected to the bases of the transistors of the power output stage and the Load is connected to the power branch to the emitters of the transistors.
Eine derartige Schaltung ist bekannt, z. B. durch »Elektronik Arbeitsblatt« Nr. 52, 1970, Heft 11, Seite 404, Bild 17, bei der ein Widerstand zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und der Stromverzweigung zu den Basen der zwei Transistoren der Komplementär-Leistungsenastufe liegt, der als Schutz- bo widerstand dient.Such a circuit is known, e.g. B. by "Electronics Worksheet" No. 52, 1970, Issue 11, page 404, Figure 17, with a resistance between the output of the operational amplifier and the current branch to the bases of the two transistors of the complementary power stage, which is used as a protective bo resistance serves.
Die Komplementär-Leistungsendstufe ist ebenfalls ruhestromfrei, und es sind die Transistoren der Leistungsendstufen nicht verzögerungsfrei stromleitend bzw. stromfrei schaltbar, so daß die über die b5 Steuerstrecken der Transistoren verlaufende Rückführstromschleife bei den Nulldurchgängen der Ausgangs-Wechselspannung des Operationsverstärkers kurzzeitig unterbrochen wird, wobei die Verstärkung des Operationsverstärkers den Verstärkungsgrad des Offenzustandes erreicht. Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers steigt im Bereich der doppelten Schleusenspannung der Emitter-Basis-Dioden der Endstufentransistoren schneller an, als die Transistoren umgesteuert werden können. Somit entstehen bei den Nulldurchgängen der Ausgangsspannung der Endstufe Übernahmeverzerrungen, die unerwünscht sind.The complementary power output stage is also free of quiescent current, and it is the transistors of the Power output stages cannot be switched to current-conducting or current-free without delay, so that the b5 Control paths of the transistors running feedback current loop at the zero crossings of the output AC voltage of the operational amplifier is briefly interrupted, the gain of the operational amplifier the degree of amplification of the open state is reached. The voltage at the output of the Operational amplifier increases in the range of twice the threshold voltage of the emitter-base diodes of the output stage transistors faster than the transistors can be reversed. Thus arise with the Zero crossings of the output voltage of the output stage. Transfer distortion that is undesirable.
Durch »Elektronik« 1970, Heft 5, Seite 147, Bild 4, ist ein Operationsverstärker mit einer ebenfalls ruhestromfreien Komplementär-Endstufe bekannt mit zwar nahezu verzögerungsfrei schaltbaren Transistoren in Gegentaktschaltung, so daß keine unerwünscht großen Übernahmeverzerrungen bei den Nulldurchgängen der Ausgangsspannung der Endstufe entstehen, welche Transistoren jedoch keine Leistungstransistoren sind.Through »Electronics« 1970, Issue 5, Page 147, Figure 4, is an operational amplifier with a likewise quiescent current-free Complementary output stage known with almost instantly switchable transistors in Push-pull circuit, so that no undesirably large transfer distortions at the zero crossings of the Output voltage of the output stage arise, which transistors, however, are not power transistors.
Des weiteren sind durch das Buch »Transistor Electronics« der Prentice-Hall International Inc. 1955, S. 215 und 216, reine Gegentaktverstärker in MittelpunktschaJtung ohne Operationsverstärker bekannt, einmal für Transformatorkopplung und einmal für RC- Kopplung. Diese Verstärker sind auch nicht ruhestromfrei und haben mit dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung im wesentlichen nur die Anwendung des Gegentakt-Arbeitsprinzips gemeinsam.Furthermore, through the book "Transistor Electronics" by Prentice-Hall International Inc. 1955, pp. 215 and 216, pure push-pull amplifiers in mid-point circuit without operational amplifiers are known, one for transformer coupling and one for RC coupling. These amplifiers are also not quiescent current-free and have essentially only the use of the push-pull operating principle in common with the subject matter of the present application.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung einer ruhestromfreien Komplementär-Leistungsenastufe mit zwei Transistoren für einen Operationsverstärker, bei welcher der Ausgang des Operationsverstärkers über eine Stromverzweigung mit den Basen der Transistoren der Leistungsendstufe verbunden ist, anzugeben, bei der die Übernahmeverzerrungen auf einen nicht störenden Grad vermindert sind.The invention is based on the object of a circuit of a complementary power stage without quiescent current with two transistors for an operational amplifier, in which the output of the operational amplifier connected to the bases of the transistors of the power output stage via a current junction is to be specified in which the takeover distortions are reduced to a non-disruptive degree.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine die Steuerstrecken der Transistoren der Leistungsendstufe umgehende Rückkopplung vom Ausgang der Leistungsendstufe über einen Widerstand zum invertierten Eingang des Operationsverstärkers, und vom Ausgang des Operationsverstärkers über einen die Stromverzweigung zu den Basen der Transistoren und die Stromverzweigung zu den Emittern dieser Transistoren überbrückenden Widerstand zurück zum Ausgang der Leistungsendstufe.According to the invention, this object is achieved by a feedback from the output of the power output stage bypassing the control paths of the transistors Power output stage through a resistor to the inverted input of the operational amplifier, and from Output of the operational amplifier via a current branch to the bases of the transistors and the current branching to the emitters of these transistors bridging resistance back to the output the power output stage.
Bei einer als Komplementär-Darlington-Schaltung mit zwei Gegentakt-Leistungsendstufen erweiterten Schaltung sind entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung Transistoren mit annähernd gleichen Stromverstärkungsfaktoren für die Gegentakt-Leistungsendstufen verwendet mit einer die Steuerstrecken der Transistoren der zweiten Gegentakt-Leistungsstufe umgehenden Rückführung vom Ausgang dieser Leistungsendstufe über einen Widerstand zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und vom Ausgang des Operationsverstärkers über einen die Stromverzweigung zu den Emittern der Transistoren der ersten sowie zu den Basen der Transistoren der zweiten Gegentakt-Komplementär-Leistungsstufe und der Stromverzweigung zu den Emittern dieser zweiten Leistungsstufe überbrückenden Widerstand zurück zum Ausgang der zweiten Leistungsendstufe.In a complementary Darlington circuit with two push-pull power output stages According to an embodiment of the invention, the circuit is transistors with approximately the same current gain factors Used for the push-pull power output stages with one of the control paths of the transistors of the second push-pull power stage immediate return from the output of this power output stage via a resistor to the inverting one Input of the operational amplifier and from the output of the operational amplifier via a die Current branching to the emitters of the transistors of the first as well as to the bases of the transistors of the second push-pull complementary power stage and the current branching to the emitters of this second Power stage bridging resistor back to the output of the second power output stage.
Die Bemessung der zwei Widerstände ist nachstehend in der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung angegeben.The dimensioning of the two resistors is given below in the description of exemplary embodiments specified of the invention.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing. It shows
Fig.! eine Schaltung einer ruhestromfreien Komplementär-Leistungsendstufe, die einem Operationsver-Fig.! a circuit of a quiescent current-free complementary power output stage, an operational failure
stärker nachgeschaltet ist undstronger downstream and
Fig.2 eine als Komplenientär-Darlington-Schaltung iiiit zwei Leistüngsendstufen erweiterte Schaltung nach Fig. 1.2 shows a complementary Darlington circuit iii with two power output stages extended circuit after Fig. 1.
In den Fig. 1 und 2 sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Einander entsprechende Elemente haben ebenfalls gleiche Bezugszeichen, sind aber durch Apostrophierung voneinander zu unterscheiden.In Figs. 1 and 2 like elements are with the provided with the same reference numerals. Corresponding elements also have the same reference symbols, but are to be distinguished from each other by apostrophes.
Die in der Zeichnung dargestellten Schaltungen enthalten jeweils eine Vorstufe 1 mit einem Operationsverstärker O und dieser nachgeschaltet eine Komplementär-Leistungsstufe 2 mit zwei Transistoren 21,22 in Gegentaktschaltung. Die Schaltung nach F i g. 2 enthält außerdem eine nach Darlington ausgeführte der ersten Leistungsstufe 2 nachgeschaltete zweite Leistungsendstufe 2'. Es sind alle Stufen an einer gemeinsamen zum Schaltungsnullpunkt symmetrischen Gleichstromquelle mit einer Spannung Ub betrieben, und es ist dem Operationsverstärker O über dessen zwei Eingänge 11 und 12 eine z. B. sinusförmige Wechselspannung uL-zugeführt, welche möglichst verzerrungsfrei verstärkt auf eine am Ausgang der Leistungsendstufe 2 bzw. 2' angeschlossene Belastung L übertragen werden soll. Die an die Belastung L übertragene Ausgangsspannung u., und die Eingangsspannung ue werden in bezug auf Massepotential Po gemessen. Zwischen Ausgang 24 bzw. 24' der Leistungsendstufe 2 bzw. 2' und Massepotential Po liegt ein ohmscher Spannungsteiler, bestehend aus zwei Widerständen 26 und 13, dessen Teilungspunkt mit dem invertierenden Eingang 12 des Operationsverstärkers O verbunden ist. Über diesen Spannungsteiler wird ein TeilThe circuits shown in the drawing each contain a preliminary stage 1 with an operational amplifier O and, downstream of this, a complementary power stage 2 with two transistors 21, 22 in a push-pull circuit. The circuit according to FIG. 2 also contains a second power output stage 2 ', which is designed according to Darlington and is connected downstream of the first power stage 2. There are all stages on a common to the circuit neutral symmetrical DC power source operated with a voltage Ub , and it is the operational amplifier O via its two inputs 11 and 12 a z. B. sinusoidal alternating voltage u L - supplied, which is to be transferred to a load L connected to the output of the power output stage 2 or 2 'with as little distortion as possible. The output voltage u., Transferred to the load L , and the input voltage u e are measured with reference to ground potential Po. An ohmic voltage divider consisting of two resistors 26 and 13, the division point of which is connected to the inverting input 12 of the operational amplifier O , is located between the output 24 or 24 'of the power output stage 2 or 2' and the ground potential Po. About this voltage divider a part
der Ausgangsspannung ua auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers rückgeführt. (R\ j und /?26 sind die Widerstandswerte der Elemente 13 und 26.) Der Spannungsteiler bildet einen Stromzweig des Rückführungsstromkreises 24, (24'), 26 (26'), 12, 14, 24, (24'). Damit dieser Stromkreis nicht nur über die Steuerstrecken der Transistoren 21, 22, 21', 22' führt, also unabhängig vom Steuerungszustand der Transistoren stets geschlossen ist, liegt bei den dargestellten Schaltungen zwischen der Stromverzweigung 14 zu den Basen der Transistoren 21 und 22 und der Stromverzweigung 24 zu den Emittern dieser Transistoren und zugleich dem Ausgang der Stufe 2 jeweils ein Widerstand 25 und bei der Schaltung nach F i g. 2 zwischen der Stromverzweigung 24, die auch zu den Basen der Transistoren 21' und 22' der Leistungsendstufe 2' führt, und der Stromverzweigung 24' zu den Emittern dieser Transistoren und zugleich dem Ausgang der Stufe 2' ferner ein Widerstand 25'. Die infolge der Rückführung wirksame Kreisverstärkung der Schaltungen nach F i g. 1 und 2 beträgtthe output voltage u a fed back to the inverting input of the operational amplifier. (R \ j and /? 26 are the resistance values of elements 13 and 26.) The voltage divider forms a branch of the feedback circuit 24, (24 '), 26 (26'), 12, 14, 24, (24 '). So that this circuit does not only lead over the control paths of the transistors 21, 22, 21 ', 22', i.e. is always closed regardless of the control state of the transistors, in the illustrated circuits there is between the current junction 14 to the bases of the transistors 21 and 22 and the Current branch 24 to the emitters of these transistors and at the same time the output of stage 2 each have a resistor 25 and in the circuit according to FIG. 2 between the current junction 24, which also leads to the bases of the transistors 21 'and 22' of the power output stage 2 ', and the current junction 24' to the emitters of these transistors and at the same time the output of stage 2 'furthermore a resistor 25'. The loop gain of the circuits according to FIG. 1 and 2
V = V =
"■·"■ ·
Die Widerstandswerte Λ20 und R^v sind im wesentlichen in Abhängigkeit von dem maximalen Basisstrom Iη «Μ der Transistoren der Komplementär-Leistungsendstufe 2 bzw. 2' und dem maximalen Ausgangsstrorn Ai ma» des Operationsverstärkers O bemessen. Für die Schaltung nach F i g. 1 gilt die BeziehungThe resistance values Λ20 and R ^ v are measured essentially as a function of the maximum base current Iη «Μ of the transistors of the complementary power output stage 2 or 2 'and the maximum output current Ai ma» of the operational amplifier O. For the circuit according to FIG. 1 the relationship applies
R = U"> R = U ">
'" inuj: ' Hiiiux '"inuj: ' Hiiiux
Übe ist die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 21 und 22 beim Kollektorstromeinsatz, die etwa der Schleusenspannung der Basis-Emitter-Dioden der Transistoren entspricht. Ube is the base-emitter voltage of the transistors 21 and 22 when the collector current is used, which corresponds approximately to the lock voltage of the base-emitter diodes of the transistors.
Der maximale Basisstrom /#,„« ergibt sich aus dem maximalen Belastungsstrom und der Stromverstärkung B\2 der Transistoren 21 und 22. Für die Schaltung nach F i g. 2 gilt entsprechendThe maximum base current / #, "" results from the maximum load current and the current gain B \ 2 of the transistors 21 and 22. For the circuit according to FIG. 2 applies accordingly
«25· =«25 · =
IH max + I" max ~ I Hi IH max + I "max ~ I Hi
Hierin bedeuten L/at die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 2Γ und 22' beim Kollektcrstromeinsatz und /β·™» der aus dem maximalen Belastungsstrom und der Stromverstärkung S3.4 der Transistoren 21' und 22' sich ergebende maximale Basisstrom der Transistoren 21' und 22'.Here L / at mean the base-emitter voltage of the Transistors 2Γ and 22 'when using collector current and / β · ™ »from the maximum load current and the current gain S3.4 of the transistors 21 'and 22' resulting maximum base current of transistors 21 'and 22'.
Verwendet man Transistoren 21, 22,21' und 22' mit Ube~U'be und Β\,2*=Βχ4, dann giltIf one uses transistors 21, 22,21 'and 22' with Ube ~ U'be and Β \, 2 * = Βχ4, then the following applies
Durch die Anordnung der Widerstände 25 und 25' ist die Rückführungsschleife ständig geschlossen, und es sind die Übernahmeverzerrungen, die bei den Nulldurchgängen der Spannung Uj am Ausgang der Leistungsendstufe entstehen können, so stark vermindert, daß sie auch meßtechnisch zu vernachlässigen sind. Hiervon unabhängig sind die Transistoren der Leistungsstufen bei den Nulldurchgängen der Wechselspannung nicht stromleitend. Infolge des exponentiellen Verlaufes der Strom-Spannungs-Kennlinie Ib (Übe) der Steuerstrecken der Leistungsstufen-Transistoren erfolgt die Stromübernahme dieser Transistoren nicht sprunghaft, sondern stetig.Due to the arrangement of the resistors 25 and 25 ', the feedback loop is constantly closed, and the transfer distortions that can arise at the zero crossings of the voltage Uj at the output of the power output stage are so greatly reduced that they can also be neglected in terms of measurement technology. Regardless of this, the transistors of the power stages do not conduct current at the zero crossings of the alternating voltage. As a result of the exponential course of the current-voltage characteristic Ib (Übe) of the control paths of the power stage transistors, the current transfer of these transistors does not take place abruptly, but steadily.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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| DE3436214A1 (en) * | 1984-10-03 | 1986-04-17 | Telefonbau Und Normalzeit Gmbh, 6000 Frankfurt | Audio-frequency amplifier |
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1974
- 1974-01-29 DE DE19742404015 patent/DE2404015B2/en not_active Withdrawn
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